CN108989711A - 一种高动态红外图像传感器读出电路及其信号采集方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高动态红外图像传感器读出电路及其信号采集方法，所述红外图像传感器读出电路包括感光电流发生模块以及电流‑电压转换模块，感光电流发生模块用于将红外感光元件的阻抗变化转换为电流变化，电流‑电压转换模块用于将光生电流转换为输出电压。本发明提供的一种高动态红外图像传感器读出电路及其信号采集方法，使得读出电路的输出电压与光生电流成对数关系，从而提高输出电压的动态范围。

Description

一种高动态红外图像传感器读出电路及其信号采集方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，具体涉及一种高动态红外图像传感器读出电路及其信号采集方法，
背景技术
红外图像传感器由于其可夜视、测温的特殊性能，在军事，工业，监控领域应用广泛。目前，非制冷红外图像传感器随着工艺的进步，产业获得了极大地发展。
红外图像传感器的读出电路将光生电流转换为电压变化输出，但是现有技术中的读出电路最终输出的电压与光生电流为线性关系，其动态范围不高。这种线性关系的读出电路在应用时需要根据场景调整其感光范围，在环境变化较大的场景输出图像效果不佳。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高动态红外图像传感器读出电路及其信号采集方法，使得读出电路的输出电压与光生电流成对数关系，从而提高输出电压的动态范围。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高动态红外图像传感器读出电路，包括感光电流发生模块以及电流-电压转换模块，所述感光电流发生模块包括红外感光元件、运算放大器、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管，所述电流-电压转换模块包括第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第三PMOS管和电容，其中，所述红外感光元件一端与电源负极相连，另一端与所述第一NMOS管的源极相连；所述第一NMOS管的漏极与所述运算放大器的正极及第一PMOS管的漏极共同连接于第一节点，所述第一NMOS管的栅极与第一控制信号相连；所述运算放大器的负极与参考电压相连，所述运算放大器的输出端与第一PMOS管的栅极及第二PMOS管的栅极相连；所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极以及第三NMOS管的栅极共同连接于第二节点；所述第四NMOS管的源极与所述第三NMOS管的漏极相连，所述第四NMOS管的漏极与所述电容的一端、第五NMOS管的源极、第六NMOS管的栅极共同连接于第三节点；所述电容的另一端与所述第五NMOS管的栅极、第五NMOS管的漏极、第三PMOS管的漏极、第六NMOS管的漏极共同连接，并作为读出电路的输出端；所述第一PMOS管的源极、第二PMOS管的源极和第三PMOS管的源极均与电源正极相连，所述第二NMOS管的源极、第三NMOS管的源极和第六NMOS管的源极均与电源负极相连；所述第三PMOS管的栅极与第一偏置电压相连，所述第四NMOS管的栅极与第二控制信号相连。
进一步地，所述第五NMOS管工作在亚阈值区域。
进一步地，所述读出电路中NMOS管和PMOS管可以互换。
进一步地，所述读出电路中NMOS管和PMOS管中的源极和漏极可以互换。
进一步地，所述红外感光元件为二端口器件，其在所述读出电路中作为等效电阻。
进一步地，所述高动态红外图像传感器读出电路的输出电压与所述红外感光元件的等效电阻呈对数关系。
本发明提供的一种采用高动态红外图像传感器读出电路进行信号采集的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：第一控制信号变为高电平，使得第一NMOS管打开；
S02：第二控制信号变为高电平，使得第四NMOS管打开，读出电路的输出端输出红外感光元件对应的电压值；
S03：第二控制信号变为低电平，使得第四NMOS管关闭；
S04：第一控制信号变为低电平，使得第一NMOS管关闭，读出电路恢复初始状态。
本发明的有益效果为：本发明中感光电流发生模块用于将红外感光元件的阻抗变化转换为电流变化，电流-电压转换模块用于将光生电流转换为输出电压，由于本发明的独特结构，输出电压与光生电流成对数关系，相比于现有读出电路中输出电压与光生电流的线性关系，本发明可以有效提高输出电压的动态范围。
附图说明
附图1为本发明一种高动态红外图像传感器读出电路的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
如附图1所示，本发明中一种高动态红外图像传感器读出电路，包括感光电流发生模块1以及电流-电压转换模块2，感光电流发生模块用于将红外感光元件的阻抗变化转换为电流变化，电流-电压转换模块用于将光生电流转换为输出电压。
其中，感光电流发生模块包括红外感光元件、运算放大器、第一NMOS管NM1、第二NMOS管NM2、第三NMOS管NM3、第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2，红外感光元件一端与电源负极相连，另一端与第一NMOS管NM1的源极相连；第一NMOS管NM1的漏极与运算放大器的正极及第一PMOS管PM1的漏极共同连接于第一节点N1，第一NMOS管NM1的栅极与第一控制信号S1相连；运算放大器的负极与参考电压VREF相连，运算放大器的输出端与第一PMOS管PM1的栅极及第二PMOS管PM2的栅极相连；第二PMOS管PM2的漏极与第二NMOS管NM2的漏极、第二NMOS管NM2的栅极以及第三NMOS管NM3的栅极共同连接于第二节点N2。
电流-电压转换模块包括第四NMOS管NM4、第五NMOS管NM5、第六NMOS管NM6、第三PMOS管PM3和电容，其中，第四NMOS管NM4的源极与第三NMOS管NM3的漏极相连，第四NMOS管NM4的漏极与电容的一端、第五NMOS管NM5的源极、第六NMOS管NM6的栅极共同连接于第三节点N3；电容的另一端与第五NMOS管NM5的栅极、第五NMOS管NM5的漏极、第三PMOS管PM3的漏极、第六NMOS管NM6的漏极共同连接，并作为读出电路的输出端VOUT；第一PMOS管PM1的源极、第二PMOS管PM2的源极和第三PMOS管PM3的源极均与电源正极VDD相连，第二NMOS管NM2的源极、第三NMOS管NM3的源极和第六NMOS管NM6的源极均与电源负极VSS相连；第三PMOS管PM3的栅极与第一偏置电压相连VB1，第四NMOS管NM4的栅极与第二控制信号相连S2。
其中，红外感光元件为二端口器件，等效于固定电阻。
值得说明的是：本发明读出电路中NMOS管和PMOS管可以互换，即在其他的实施例中，本发明中第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第四NMOS管、第五NMOS管和第六NMOS管也可以替换为第一PMOS管’、第二PMOS管’、第三PMOS管’、第四PMOS管’、第五PMOS管’和第六PMOS管’，同时，所述第一PMOS管、第二PMOS管和第三PMOS管替换为第一NMOS管’、第二NMOS管’和第三NMOS管’。并且本发明中所有MOS管的源极和漏极可以互换，互换之后的结构在此不做说明，其结构与工作原理类似于附图1中的电路结构。
本发明中读出电路进行信号采集的方法，包括以下步骤：
S01：第一控制信号变为高电平，使得第一NMOS管打开。
第一节点N1处的电流I1为：
其中，VREF为参考电压，Rdet为红外感光元件的等效电阻。
S02：第二控制信号变为高电平，使得第四NMOS管打开，读出电路的输出端输出红外感光元件对应的电压值。
由于第一PMOS管PM1和第二PMOS管PM2构成电流镜，第二NMOS管NM2和第三NMOS管NM3构成电流镜，当第四NMOS管NM4开启时，第二节点处的电流I2和第三节点处的电流Is均等于第一节点处的电流I1：
I1＝I2＝Is (2)
本发明中第五NMOS管NM5工作在亚阈值区，当第五NMOS管工作在亚阈值区时，其漏电流为：
其中，时一个非理性因子，I0表示第五NMOS管NM5栅源电压等于阈值电压时的漏电流，其大小与第五NMOS管的宽长比呈正比，VT为热电势，其中VT＝kT/q，k表示玻尔兹曼常数，q为电荷量，T为温度。
则第五NMOS管NM5的栅源电压等于：
设N3节点电压为VN3，由于Is＝I1，则有：
由于本发明中读出电路存在负反馈环路的原因，N3节点电压为一个定值，因此VOUT与光生电流成对数关系，与传统线性关系相比，可以有效提高输出电压的动态范围。
S03：当光生电流对应的电压被读出之后，第二控制信号变为低电平，使得第四NMOS管关闭；
S04：第一控制信号变为低电平，使得第一NMOS管关闭，从而使得读出电路恢复初始状态。
综上所述，本发明中感光电流发生模块用于将红外感光元件的阻抗变化转换为电流变化，电流-电压转换模块用于将光生电流转换为输出电压，由于本发明的独特结构，输出电压与光生电流成对数关系，相比于现有读出电路中输出电压与光生电流的线性关系，本发明可以有效提高输出电压的动态范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用于限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种高动态红外图像传感器读出电路，其特征在于，包括感光电流发生模块以及电流-电压转换模块，所述感光电流发生模块包括红外感光元件、运算放大器、第一NMOS管、第二NMOS管、第三NMOS管、第一PMOS管和第二PMOS管，所述电流-电压转换模块包括第四NMOS管、第五NMOS管、第六NMOS管、第三PMOS管和电容，其中，所述红外感光元件一端与电源负极相连，另一端与所述第一NMOS管的源极相连；所述第一NMOS管的漏极与所述运算放大器的正极及第一PMOS管的漏极共同连接于第一节点，所述第一NMOS管的栅极与第一控制信号相连；所述运算放大器的负极与参考电压相连，所述运算放大器的输出端与第一PMOS管的栅极及第二PMOS管的栅极相连；所述第二PMOS管的漏极与所述第二NMOS管的漏极、第二NMOS管的栅极以及第三NMOS管的栅极共同连接于第二节点；所述第四NMOS管的源极与所述第三NMOS管的漏极相连，所述第四NMOS管的漏极与所述电容的一端、第五NMOS管的源极、第六NMOS管的栅极共同连接于第三节点；所述电容的另一端与所述第五NMOS管的栅极、第五NMOS管的漏极、第三PMOS管的漏极、第六NMOS管的漏极共同连接，并作为读出电路的输出端；所述第一PMOS管的源极、第二PMOS管的源极和第三PMOS管的源极均与电源正极相连，所述第二NMOS管的源极、第三NMOS管的源极和第六NMOS管的源极均与电源负极相连；所述第三PMOS管的栅极与第一偏置电压相连，所述第四NMOS管的栅极与第二控制信号相连。
2.根据权利要求1所述的一种高动态红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述第五NMOS管工作在亚阈值区域。
3.根据权利要求1所述的一种高动态红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述读出电路中NMOS管和PMOS管可以互换。
4.根据权利要求1所述的一种高动态红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述读出电路中NMOS管和PMOS管中的源极和漏极可以互换。
5.根据权利要求1所述的一种高动态红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述红外感光元件为二端口器件，其在所述读出电路中作为等效电阻。
6.根据权利要求5所述的一种高动态红外图像传感器读出电路，其特征在于，所述高动态红外图像传感器读出电路的输出电压与所述红外感光元件的等效电阻呈对数关系。
7.一种采用权利要求1所述的高动态红外图像传感器读出电路进行信号采集的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S01：第一控制信号变为高电平，使得第一NMOS管打开；
S02：第二控制信号变为高电平，使得第四NMOS管打开，读出电路的输出端输出红外感光元件对应的电压值；
S03：第二控制信号变为低电平，使得第四NMOS管关闭；
S04：第一控制信号变为低电平，使得第一NMOS管关闭，读出电路恢复初始状态。
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